CC BY
14
РАБОТЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
УДК 631.41
МАССОПЕРЕНОС 137Cs В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ» В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕГО ЛОКАЛИЗАЦИИ В ПОЧВЕННЫХ АГРЕГАТАХ
Ю.М. Кловская (научный руководитель - С.П. Торшин, д.б.н.)
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, e-mail: sptorshin@rambler.ru
137
В лабораторных опытах на агрегированной дерново-подзолистой почве с меченой Cs фракцией разного размера и разной локализацией изотопа в почвенных агрегатах установлено: первичные градиенты концентрации на агрегатном уровне исчезают с течением времени; радиоизотоп практически равномерно распределяется в почвенной массе, что приводит к снижению его миграционной способности и поступлению в растения.
Ключевые слова: радионуклидное загрязнение, цезий-137, дерново-подзолистая почва, почвенные агрегаты, градиент концентрации.
MASS TRANSFER OF 137Cs IN «SOIL-PLANT» SYSTEM IN DEPENDENCE OF ITS LOCALIZATION IN SOIL PARTICLES
Yu.M. Klovskaya
Russian Timiryazev State Agrarian University, e-mail: sptorshin@rambler.ru
In laboratory experiences on the aggregated sod-podzolic soil with labelled 137Cs fraction of the different size and different localization of an isotope in soil aggregates it is established: primary gradients of concentration at modular level disappear eventually, the radioisotope is practically in regular intervals distributed in soil weight that leads to decrease in its migratory ability and receipt in plants.
Keywords: radionuclide pollution, caesium-137, sod-podzolic soil, soil aggregates, a concentration gradient.
Предыдущими исследованиями [1, 2] установлено, что в условиях загрязнения территории его первичное сорбционное концентрирование происходит на поверхности почвенных агрегатов разного размера. С течением времени токсикант равномерно распределяется в почвенной массе и первичные градиенты концентрации постепенно исчезают. Как правило, загрязнение почвы воздушным путем происходит при аварийных ситуациях на объектах ядерного топливного цикла. Точно зафиксировать время и место выпадений, а также учесть все возможные факторы, влияющие на первичное распределение изотопа, невозможно. Поэтому изучение механизмов первичного взаимодействия с поверхностью почвенных агрегатов существенно затруднено. В этой связи становятся значимыми эксперименты в лабораторных условиях с использованием 13^, к тому же, полученные результаты с определенными ограничениями можно экстраполировать на поведение ряда других токсикантов (радионуклидов, тяжелых металлов и пр.). В свою очередь, исследования первичных механизмов взаимодействия поллютантов со структурными компонентами почвы могут значительно повысить чувствительность их определения в почве [3].
Исследования проводили на кафедре агрономической, биологической химии, радиологии и безопасности жизнедеятельности РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (сектор радиологии). Для эксперимента использовали дерново-подзолистую тяжелосуглинистую почву со следующей характеристикой: гумус - 1,4 %; рНт - 4,7; Нг - 3,9; S - 7,8 мг-экв/100 г почвы, V - 66,7%. Методом сухого просеивания по Н.И. Савинову [4] определено структурное состояние почвы. Масса отдельной фракции выражена в процентах от общей массы образца (25 кг): < 1 мм - 24,8%; 1-3 мм - 39,1%; 3-5мм - 15,6%; 5-7 мм - 12,8%; 7-10 мм - 8,3%.
Программа исследований включала: а) формирование первичных градиентов концентрации 137Cs с различной локализацией в почвенных агрегатах; б) выявление разницы в интенсивности поглощения изотопа растениями ярового ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Маргрет; в) оценка размеров поглощения токсиканта растениями в зависимости от его локализации. Схема опыта: 1) почва без растений с поверхностно меченой фракцией 3-5 мм; 2) почва без растений с поверхностно меченной фракцией 5-7 мм; 3) почва без растений с тотально меченой фракцией 3-5 мм; 4) почва без растений с
тотально меченной фракцией 5-7 мм; 5) почва + ячмень с поверхностно меченой фракцией 3-5 мм; 6) почва + ячмень с поверхностно меченой фракцией 5-7 мм; 7) почва + ячмень с тотально меченой фракцией 3-5 мм; 8) почва + ячмень с тотально меченой фракцией 5-7 мм. Опыт проводили в трехкратной повторности.
Для формирования искусственных тотально и поверхностно меченых агрегатов были взяты два образца почвы (№ 1 и № 2). Они были увлажнены до получения полужидкой массы. Для приготовления тотально меченных агрегатов (из образца № 2) в воду было добавлено 50 мл раствора 137CsCl общей активностью 17,5 кБк. После тщательного перемешивания почвенная масса каждого из образцов была помещена в кюветы размером 50 х 50 см для высушивания. Сухую почвенную массу просеивали через сита и получали искусственные агрегаты размером 3-5 мм и 7-10 мм. Агрегаты образца № 1 обрабатывали из пульверизатора раствором 137CsCl той же активности для достижения эффекта поверхностного мечения. Далее в незагрязненные почвенные образцы, в процентном соотношении удовлетворяющие структурному состоянию используемой для опыта почвы, вместо фракций 3-5 мм и 7-10 мм включали меченые агрегаты. Полученный образец массой 200 г помещали в пластиковые сосуды типа Tetra-Pak.
137
Семена ячменя высаживали в заранее увлажненную почву по 5 штук в каждый сосуд. Во время вегетации было проведено два снятия растений и почвы с интервалом в один месяц. Образцы почв и растений после высушивания анализировали на гамма-спектрометре WIZARD 2480 PerkinElmer.
В таблице 1 приведены удельные активности фракций почвы, на которой не выращивали растения. Во всех вариантах наблюдается перераспределение радиоцезия на агрегатном уровне. В варианте с поверхностным мечением фракции 3-5 мм (удельная активность составила 63,3 ±3,1 Бк/кг) при первом снятии наибольшая удельная активность 137Cs отмечена для фракции 5-7 мм - 21,5 ± 2,3 Бк/кг, а наименьшая - для фракции > 7 мм -2,24 ± 0,23 Бк/кг. С течением времени перераспределение радиоизотопа несколько изменяется и приближается к картине перераспределения, которая возникает после исчезновения первичных градиентов концентрации, а именно: значительная часть удельной активности сосредоточена в более мелких почвенных фракциях 0-1 и 1-3 мм, что связано со способностью 137Cs прочно сорбироваться глинистыми минералами. В связи с этим, хотя прошло относительно немного времени, во втором снятии во фракциях 0-1 и 1 -3 мм удельная активность оказалась практически в 2 раза выше, чем во фракциях 5-7 и >7 мм.
1. Распределение Cs в дерново-подзолистой почве по фракциям (парующая почва)
Фракция, мм Масса, г Активность, Бк Удельная активность, Бк/кг
1 снятие 2 снятие 1 снятие 2 снятие 1 снятие 2 снятие
Поверхностно меченые агрегаты
Меченая фракция 3 -5 мм
0-1 32,2 30,7 269 537 8,35±1,50 17,5±1,8
1-3 52,0 52,5 565 996 10,9±1,32 19,0±1,9
3-5 28,0 19,9 1772 1240 63,3±7,1 62,3±7,3
5-7 17,3 34,2 372 311 21,5±2,3 9,09±1,4
>7 55,8 57,2 125 574 2,24±0,23 10,0±1,3
Меченая фракция 5-7 мм
0-1 29,8 32,8 424 157 14,2±2,1 4,79±0,6
1-3 64,8 44,4 814 314 12,6±1,4 7,07±0,8
3-5 35,5 29,1 419 478 11,8±1,7 16,4±2,0
5-7 17,2 13,5 490 943 28,5±3,1 69,9±7,7
>7 52,4 85,3 787 1176 15,0±1,6 13,8±1,4
Тотально меченые агрегаты
Меченая фракция 3 -5 мм
0-1 17,3 30,0 133 260 7,69±0,81 8,67±0,88
1-3 65,8 70,7 392 372 5,96±0,66 5,26±0,71
3-5 17,0 24,5 239 348 14,1±1,7 14,2±1,8
5-7 23,1 40,1 212 374 9,18±1,2 9,33±1,91
>7 83,3 43,0 2059 1757 24,7±3,1 40,9±5,3
Меченая фракция 5-7 мм
0-1 24,8 27,0 146 66 5,89±0,80 2,44±0,41
1-3 62,4 57,7 281 183 4,50±0,66 3,17±0,45
3-5 42,6 26,2 276 184 6,48±0,87 7,02±0,83
5-7 11,7 12,9 710 464 60,7±0,78 36,0±5,1
>7 61,5 68,4 1821 2021 29,6±0,44 29,6±3,3
137
2. Распределение Cs по фракциям дерново-подзолистой почвы под растениями ячменя
Фракция, мм Масса, г Активность, Бк Удельная активность, Бк/кг
1 снятие 2 снятие 1 снятие 2 снятие 1 снятие 2 снятие
Поверхностно меченые агрегаты
Меченая фракция 3-5 мм
0-1 24,3 21,8 17,8 530 0,73±0,09 24,3±3,5
1-3 41,2 53,1 31,9 961 0,77±0,07 18,1±1,7
3-5 18,1 32,8 2970 1505 164±21 45,9±5,0
5-7 11,1 18,0 7,8 304 0,70±0,12 16,9±1,1
Меченая фракция 5-7 мм
>7 95,0 68,3 76,0 98,0 0,80±0,11 1,44±0,25
0-1 29,6 27,2 391 490 13,2±2,1 18,0±1,8
1-3 62,1 41,3 504 466 8,12±1,0 11,3±1,3
3-5 35,1 28,1 688 378 19,6±1,7 13,5±1,7
5-7 23,1 18,6 1002 620 43,4±5,1 33,3±4,1
>7 46,2 90,1 208 971 4,50±0,55 10,8±1,2
Тотально меченые
Меченая фракция 3 -5 мм
0-1 34,0 20,1 334 352 9,82±1,71 17,5±2,3
1-3 40,4 46,5 380 463 9,41±1,95 10,0±1,1
3-5 31,6 13,4 663 215 21,0±3,1 16,1±2,7
5-7 54,8 16,8 722 182 13,2±2,7 10,8±2,1
>7 23,2 110 836 1894 36,0±3,9 17,2±2,7
Меченая фракция 5-7 мм
0-1 18,5 22,9 146 206 7,89±0,83 9,00±1,0
1-3 51,1 51,7 249 268 4,87±0,55 5,18±0,63
3-5 40,9 39,4 190 244 4,65±0,61 6,19±0,75
5-7 24,8 15,7 1084 520 43,7±5,5 33,1±4,1
>7 78,7 82,4 1245 2092 15,8±1,7 25,4±2,7
В первом снятии варианта поверхностного ме-чения фракции 5-7 мм перераспределение 137С8 происходит равномерно, наибольшая удельная активность у фракции > 7 мм составляет 15,0 ± 1,6 Бк/кг. Во втором снятии наибольшая (16,4 ± 2,0 Бк/кг) удельная активность зафиксирована для фракции 3-5 мм.
В вариантах с тотальным мечением фракций 3-5 и 5-7 мм при первом и втором снятии перераспределение по фракциям 0-1 мм, 1-3 мм, 3-5 мм выражено слабо, это подтверждают низкие уровни удельных активностей (табл. 1, тотально меченые агрегаты). Удельная активность фракций > 7 мм по отношению к фракциям 0-1 мм для двух вариантов с тотально мечеными агрегатами оказалась в 5-15 раз выше.
Результаты, полученные при выращивании растений ячменя (табл. 2) подтверждают предположе-
ние о том, что при наличии первичного градиента концентрации в период активной вегетации
растения могут поглощать значительную часть токсиканта из почвы.
Так, в варианте с поверхностным мечением фракции 3-5 мм в первом снятии перераспределение между фракциями практически отсутствует. Удельная активность фракций (за исключением меченой) находится в пределах 1 Бк/кг, а удельная активность растений ячменя (табл. 3) составляет 18,64 ± 3,15 Бк/кг. Анализ почвы после второго снятия (по прошествии месяца) показал активное распределение 137С8 по фракциям и накопление небольших (в пределах 1 Бк/кг) количеств изотопа в растениях. Снижение удельной активности с течением времени, по-видимому, связано с разрушением почвенных агрегатов и смыванием радионуклида. Для варианта с поверхностно меченой фракцией 5-7 мм отмечено
3. Средняя удельная активность растений ячменя при выращивании на почве с мечеными агрегатами
Фракция, мм Масса, г Активность, Бк Удельная активность, Бк/г
Снятие
1 2 1 2 1 2
Поверхностно меченые агрегаты, 3-5 0,59 0,95 11,0 0,51 18,64±3,15 0,54±0,07
Тотально меченые агрегаты, 3-5 0,63 0,89 7,49 1,72 11,89±2,00 1,93±0,22
Поверхностно меченые агрегаты, 5-7 0,60 1,01 9,19 1,36 15,32±1,71 1,35±0,25
Тотально меченые агрегаты, 5-7 0,67 1,03 8,30 1,40 12,39±1,55 1,36±0,31
аналогичное перераспределение, исключение составляет более равномерное распределение удельной активности по фракциям в первом снятии.
Для тотально меченой фракции разного размера также подтверждается характер взаимодействия, описанный выше в системе «почва - растение» при наличии первичного градиента концентрации. В этом случае следует сравнить в целом поглощение поллютанта в зависимости от его локализации в почвенных агрегатах. Удельная активность растений при выращивании на почве с поверхностно мечеными агрегатами 3-5 и 5-7 мм выше (18,64 ± 3,15
Бк/кг и 15,32 ± 1,71 Бк/кг), чем при равномерном
137/-1
распределении С8 в почвенных агрегатах тех же фракций (11,89 ± 2,00 Бк/кг, 12,39 ± 1,55 Бк/кг). Из этого следует, что растения активнее поглощают 137С8 с поверхности почвенных агрегатов. Однако с течением времени (2-е снятие) разрушение тотально меченых агрегатов способствовало более интенсивному поглощению 137С8 растениями.
Таким образом, подтверждено предположение о том, что растения играют существенную роль в процессе перераспределения 137Cs на агрегатном уровне.
Литература
1. Фокин А.Д., Торшин С.П., Каупенйоханн М. Формирование первичных градиентов концентраций 137Cs в почвах на агрегатном уровне // Почвоведение, 2003, № 8. - С. 921-928.
2. Торшин С.П., Фокин А.Д. Поступление радиоцезия в почву из растений при аэральном их загрязнении // Доклады ТСХА, 2012, вып. 284, часть 1. - С. 190-192.
3. Санжарова Н.И., Фесенко С.В., Лисянский К.Б., Кузнецов В.К., Абрамова Т.Н., Котик В.А. Формы нахождения в почвах и динамика накопления в сельскохозяйственных культурах после аварии на Чернобыльской АЭС // Почвоведение, 1997, № 2. - С. 159-164.
4. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.
ВСЕРОССИЙСКИЙ ДЕНЬ АГРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛЯ - 2015
23-24 июля 2015 г. в Тюменской области на базе ФГБУ Государственная станция агрохимической службы «Тюменская» и Государственного аграрного университета Северного Зауралья прошел «Всероссийский день агрохимического поля - 2015».
В мероприятии приняли активное участие руководители центров и станций Государственной агрохимической службы РФ во главе с директором Департамента растениеводства, химизации и защиты растений Министерства сельского хозяйства РФ, академиком РАН Петром Александровичем Чекмаревым, который, открывая праздник, отметил «... Мы не случайно сегодня на Тюменской земле. Земледельцы Тюменской области применяют новейшие технологии, агрохимическая служба одна из лучших в России. В 2015 г. исполняется 150 лет со дня рождения великого русского ученого Дмитрия Николаевича Прянишникова, юбилейные торжества совсем скоро состояться на его родине в Бурятии. Дмитрий Николаевич основал агрохимическую науку в России, и мы призываем Вас принять активное участие в проводимых торжествах».
С приветственными словами к гостям праздника обратились заместитель губернатора Тюменской области, директор департамента АПК Владимир Николаевич Чейметов, председатель комитета по аграрным вопросам и земельным отношениям Тюменской областной Думы Юрий Михайлович Конев, а также и.о. ректора Государственного аграрного университета Северного Зауралья Елена Григорьевна Бойко, которая отметила «Место проведения выбрано не случайно, здесь на этих полях ученые вуза ведут научные изыскания уже несколько десятилетий, и сегодня - это площадка для демонстрации технологических процессов с использованием космических систем».
И действительно на поле выстроилась техника отечественного и зарубежного производства. Руководитель научной школы, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Университета Николай Васильевич Абрамов провел презентацию научных изысканий по оцифровке полей с использованием навигационной системы, обеспечивающей точные границы полей с географической привязкой их координат, производственные размеры полей с исключением вымочек, колков, опорных линий электропередач. Во время обхода экспозиции участникам мероприятия были представлены новейшие разработки российских ученых, экспозиции региональных служб Департамента растениеводства, химизации и защиты растений Министерства сельского хозяйства РФ, руководитель которого, как и многие желающие, лично поучаствовал в испытаниях различных машин и механизмов.
Работа «Всероссийского дня агрохимического поля - 2015» продолжилась на пленарном заседании, в ходе которого были рассмотрены итоги деятельности специалистов агрохимической службы за первое полугодие 2015 г.; подробно представлен агропромышленный комплекс Тюменской области, основные достижения Государственной станции агрохимической службы «Тюменская», а также конкретный полевой опыт некоторых хозяйства региона.
